集成电路制造技术 西交大 工程硕士 外延

集成电路制造技术
原理与工艺
第3章 外延 (Epitaxy)
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3.1 概述
3.1.1外延概念




在微电子工艺中，外延(epitaxy)是指在单晶衬 底上，用物理或化学的方法，按衬底晶向生长 （排列）单晶薄膜的工艺过程。 新排列生长的晶体薄膜称为外延层，有外延层的 硅片称为（硅）外延片。 与先前描述的单晶生长不同在于外延生长温度低 于熔点许多。 外延是在晶体上生长晶体，生长出的晶体的晶向 与衬底晶向相同，掺杂类型、电阻率可不同。 n/n+，n/p，GaAs/Si。
pn结隔离示意图
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n+
p+ n-well
p+
n+
p-well
n+
p+
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
制作在外延层上的双阱CMOS剖面图
将CMOS电路制作在外延层上比制作在 体硅抛光片上有以下优点： ①避免了闩锁效应； ②避免了硅层中SiOx的沉积； ③硅表面更光滑，损伤最小。
而外延生长速率正相反。
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3. 反应剂浓度对生长速率的影响
SiCl4摩尔浓度 大于0.27出现 腐蚀现象
SiCl4浓度与生长速率的关系
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速率、温度对结晶类型的影响
-1
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3.2.4 外延层中的杂质分布


掺杂采用原位气相掺杂。 杂质掺入效率依赖于：生长温 度、生长速率、气流中掺杂剂 相对于硅源的摩尔数、反应室 几何形状，掺杂剂自身特性。 有杂质再分布现象 自掺杂效应 扩散效应
硅烷SiH4 ，更适应薄外延层和低温生长要求， 得到广泛应用。 新硅源：二硅烷Si2H6-----低温外延
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3.2.1 硅的气相外延工艺
卧式气相外延设备示意图
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工艺步骤及流程
两个步骤： 准备阶段：准备硅基片和进行基座去硅处理； 硅的外延生长 基座去硅的工艺流程： N2预冲洗→H2预冲洗→升温至850℃→升温至 1170℃→HCl排空→HCl腐蚀→H2冲洗→降温 →N2冲洗
假设1：外延层生长时外延剂中无杂质， 杂质来源于自掺杂效应
N
E
(x) N S e
x
假设2：衬底杂质无逸出（或认为衬底 未掺杂）
N E ( x ) N E 0 (1 e
x
)
界面杂质叠加的数学表达式为
N E (x) N S e
x
N E 0 (1 e
x
)
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生长指（常）数Φ
SiCl2+H2
2SiCl2
Sis+2HCl
Sis+SiCl4
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3.2.2 气相外延原理
δ x
α
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SiH4热分解外延


SiH4 → Si（s）+2H2（g） 优势： 1.反应是不可逆的，没卤化物产生，不存在反向腐蚀 效应，对反应室也无腐蚀； 2.外延温度低，一般是650-900 ℃，最低可在600℃ 完成，减弱了自掺杂和扩散效应。 问题：SiH4 在气相中可自行分解，造成过早核化， 对外延层的晶体结构产生重要影响，甚至生成多晶； SiH4 易氧化形成硅粉，要尽量避免氧化物质和水汽 的存在，否则会影响外延层的质量；缺陷密度高于 SiCl4 氢还原法制作外延层；对反应系统要求高。
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微波器件的芯片制造，需要具有突变杂质 分布的复杂多层结构衬底材料。可以采用 多层外延工艺来实现这类衬底材料的制备。 采用异质外延的SOS／CMOS电路，外延衬 底为绝缘的蓝宝石，能够有效地防止元件 之间的漏电流，抗辐照闩锁；而且结构尺 寸比体硅CMOS电路小，因SOS结构不用隔 离环，元件制作在硅外延层小岛上，岛与 岛之间的隔离距离只要满足光刻工艺精度， 就能达到电隔离要求，所以元件之间的间 距很小，CMOS电路的集成度也就提高了。
'
'
100 %
其中：a外延层晶格参数； a′衬底晶格参数。有 热膨胀失配系数和晶格常数失配率。
热失配影响 单晶薄膜的 物理和电学 性质
晶格失配导致 外延膜中缺陷 密度非常高
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特点：

外延生长时掺入杂质的类型、浓度都可以 与衬底不同，增加了微电子器件和电路工 艺的灵活性。
多次外延工艺得到多层不同掺杂类型、不 同杂质含量、不同厚度，甚至不同材料的 外延层。


不是本征效应，是杂质的固相 扩散引起的效应。
若杂质扩散速率远小于外延生长速 率，衬底中的杂质向外延层中扩散， +（p/p+） +对应n/n 或外延层中杂质向衬底中的扩散， + -对应p/n+ 都如同在半无限大的固体中的扩散。 （n/p ） 当衬底和外延层都掺杂时，外延层 中最终杂质分布。
N E0 2 1 erf 2 DEt
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3.1.2 外延工艺种类





按材料划分：同质外延和异质外延。 按工艺方法划分：气相外延（VPE)，液相外延(LVP)， 固相外延 (SPE)，分子束外延（MBE)。 气相外延工艺成熟，可很好 按温度划分：高温外延(1000℃ 以上)；低温外延 的控制薄膜厚度，杂质浓度 (1000℃ 以下)；变温外延--先低温下成核，再高温下 和晶格的完整性，在硅工艺 生长外延层。 中一直占主导地位。 按电阻率高低划分：正外延--低阻衬底上外延高阻层； 反外延--高阻衬底上外延低阻层。 按外延层结构分类: 普通外延，选择外延，多层外延 其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等。
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3.2 气相外延

气相外延(vapor phase Epitaxy，VPE )，指含 Si外延层材料的物质以气相形式输运至衬底，
在高温下分解或发生化学反应，在单晶衬底上
生长出与衬底晶向一致的单晶。

与化学汽相淀积（Chenmical Vapor Deposition） 类似，是广义上的CVD工艺。
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3.2.6 外延方法
低压外延 选择外延 SOI技术

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1.低压外延 low-pressure epitaxy

目的：减小自掺杂效应 压力：1*103—2*104Pa 原因： 低压气体扩散速率快，衬底逸出杂质可快速穿过边界层 （滞留层），被排除反应室,重新进入外延层机会减小； 停止外延时，气体易清除，多层外延时缩小了过渡区， 温度影响 压力降低，生长外延层温度下限也降低； 问题：易泄漏；基座与衬底间温差大；基座、反应室在减压 时放出吸附气体；外延生长温度低等-----外延层晶体完整性 受到一定影响。
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外延工艺常用的硅源

四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也是研 究最多的硅源--------主要应用于传统外延工艺 三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和 SiCl4类似但温度有 所降低------常规外延生长



二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) ----更低温度，选择外延
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3.2.3影响外延生长速率的因素

温度 硅源 反应剂浓度 其它因素：衬底晶向(110)> (111)； 反应室形状；
气体流速
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影响外延生长速率的因素
1. 温度对生长速率的影响
质量传递 控制 实际外延 选此区
表面反应 控制
-1
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2. 硅源对生长速率的影响
含氯的Si-Cl-H体系 无氯的Si-H体系 硅源不同，外延温度不同,由高到低排序的硅源 为：SiCl4>SiHCl3>SiH2Cl2>SiH4；
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同质外延 又称均匀外延，是外延层与衬底材料相 同的外延。 异质外延 也称非均匀外延，外延层与衬底材料不相 同，甚至物理结构也与衬底完全不同。GaAs/Si 、 SOI（SOS）等材料就可通过异质外延工艺获得。 异质外延的相容性： 1. 衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量的溶解 现象； 2. 衬底与外延层热力学参数相匹配，即热膨胀系数接近。 以避免外延层由生长温度冷却至室温时，产生残余热 应力，界面位错，甚至外延层破裂。 3. 衬底与外延层晶格参数相匹配，即晶体结构，晶格常 数接近，以避免晶格参数不匹配引起的外延层与衬底 接触的界面晶格缺陷多和应力大的现象。

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工艺
作用是将硅基片表面残存的氧化物（SiOx） 以及晶格不完整的硅腐蚀去掉，露出新鲜 和有完整晶格的硅表面，利于硅外延成核， 外延生长工艺流程： 而且使衬底硅和外延层硅之间键合良好， 避免衬底硅表面缺陷向外延层中延伸。
N2预冲洗→H2预冲洗→升温至850℃→ 升温至1170℃→HCl排空→HCl抛光 →H2冲洗附面层→外延生长（通入反应 剂及掺杂剂）→H2冲洗1170℃→降温 →N2冲洗

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3.1.3 外延工艺用途
在外延层上制造晶体管可以解决集电 结的耐压和集电极串连电阻对衬底掺杂浓 度的相互矛盾。
优势： 1.高的集电结击 穿电压 2.低的集电极串 联电阻 双极型晶体管
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n+埋层 n-Si外延层 SiO2 p+隔离墙
P-Si衬底
利用外延技术的 pn结隔离是早期 双极型集成电路 常采用的电隔离 方法。
影响： 改变外延层和衬底杂质浓度及分布 对p/n或n/p硅外延，改变pn结位置

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1.自掺杂效应(Autodoping)

自掺杂效应是指高温外延时，高掺杂衬 底的杂质反扩散进入气相边界层，又从 边界层扩散掺入外延层的现象 。

自掺杂效应是气相外延的本征效应，不 可能完全避免。
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外延层杂质浓度分布计算
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在外延过程中，反应器内实际存在多种过 度气体，实验发现四氯化硅和氢气大约在900℃ 时开始反应，而此时仅发生热分解反应，没有 硅析出，当温度升至1000℃以上，反应过程如 下：
SiCl4+H2 SiCl4+H2 SiHCl3+H2 SiHCl3 SiHCl2 SiCl2+H2
SiHCl3+HCl SiHCl2+2HCl SiH2Cl2+HCl SiCl2+HCl SiCl2+H2 Si+2HCl


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2.选择外延（Selective epitaxial growth，SEG）
选择性外延是指在衬底表面的特定区域生长外 延层，而其他区域不生长外延层的外延工艺。

NS x 1 erf N E (x) 2 2 DSt
x
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杂质再Байду номын сангаас布综合效果示意图
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减小杂质再分布效应措施




降低外延温度，p-Si采用SiH2Cl2, SiHCl3 ； 或SiH4，但这对As的自掺杂是无效。 重掺杂的衬底，用轻掺杂的硅来密封其底面 和侧面，减少杂质外逸。 低压外延可减小自掺杂，这对砷，磷的效果 显著，对硼的作用不明显。 用离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓 度。可在埋层或衬底上先生长未掺杂的薄膜 来避免衬底中的杂质外逸，再原位掺杂。
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1 气相质量传递过程


边界层指基座表面 垂直于气流方向上， 气流速度、反应剂 浓度、温度受到扰 动的薄气体层。 基座表面做成斜坡 状，和气流方向呈 一定角度，α角一 般在3~10°。
基座表面边界层示意图
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2 表面过程
本质上是化学分
解 和 规 则 排 列 两 个 SiH4= Si+2H2 过程。 SiH4 表 面 外 延 过 程实质上包含了吸 附、分解、迁移、 解吸这几个环节。 表面外延过程表 明外延生长是横向 表面外延过程示意图 进行。


Φ(cm-1)由实验确定。
与掺杂剂、化学反应、 反应系统及生长过程等 因素有关: As比B和P更易蒸发; SiCl4反应过程中的 Φ要 比SiH4的小; 边界层越厚， Φ 就越大。
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2.互扩散效应(Outdiffusion)

互（外）扩散效应，指在衬底中的 杂质与外延层中的杂质在外延生长 时互相扩散，引起衬底与外延层界 面附近的杂质浓度缓慢变化的现象。
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异质外延衬底和外延层的材料不同，晶体结构和晶格常数 不可能完全匹配。外延生长工艺不同，在外延界面会出现 两种情况——应力释放带来界面缺陷，或者在外延层很薄 时出现赝晶（pseudomorphic）。
异质外延生长工艺的两种类型
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晶格失配 lattice mismatch 失配率： f

a a a
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工艺



反应剂有：SiCl4、SiHCl3、 SiH2Cl2、 SiH4，气态 反应剂稀释后直接通入，而液态反应剂是装在源 瓶中，用稀释气体携带进入反应器。 掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如PH3、 B2H6、AsH3 SiH4为反应剂， PH3为掺杂剂： SiH4（H2） Si+2H2↑ 2PH3（H2） P+6H2↑ SiH4在主流气体中只百分之几；PH3也用氢气稀释 至十~五十倍。